클린라벨 전분 소재 개발을 위한 쌀 전분 블렌드의 물리화학적 특성에 관한 연구

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 농업생명과학대학 바이오시스템·소재학부(바이오시스템공학), 2021. 2. 김용노.쌀 전분은 사람의 식생활에서 중요한 탄수화물 주요 공급원 중 하나이다. 하지만 생전분은 전단에 대한 저항성과 열에 의한 호화, 노화, 겔화 및 분해가 발생하여 식품의 품질 저하를 가져올 수 있어 식품산업에 적용시키기에 제한이 있다. 이러한 한계 때문에 전분에 화학적 처리를 통해 만들어진 변성전분이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 화학적 처리 및 화학 첨가물 없이 간단한 물리적 처리만으로 변성전분과 유사한 기능성을 나타내는 클린라벨 전분이 주목을 받고 있다. 클린라벨 전분의 제조 방법은 효소 처리, 열수 처리, 초음파 처리 및 블렌드 등 다양한 방법이 보고되었다. 블렌드는 물리적 처리 방법 중 가장 간단한 혼합 방법으로, 많은 연구에서 다양한 품종 및 입자크기에 따른 블렌드를 시도해 왔다. 하지만, 같은 품종 간 아밀로스 함량 및 입자 특성에 따른 블렌드에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구는 클린라벨 전분의 소재 개발을 위해 아밀로스 함량이 다른 쌀 전분 블렌드의 물리화학적 특성 및 안정성 평가하고, 쌀 전분의 물리화학적 안정성을 개선하는 것을 목적으로 한다. 블렌드에 앞서 아밀로스 함량이 다른 다섯가지 쌀 전분의 분자구조적, 물리화학적 특성을 관찰하였다. 다섯가지 중 두드러진 입자특성을 보인 고아밀로스 도담쌀, 중간 아밀로스 일품, 저아밀로스 밀양 328호 전분을 선택하여 블렌드 효과를 확인하였다. 블렌드는 세가지 전분 중 두 종류씩 10 : 0, 3 : 7, 5 : 5, 0:10의 비율로 혼합하여 준비하였다. 고아밀로스인 도담쌀 전분은 다른 쌀 전분에 비하여 입자 안정성이 높아 낮은 pH 및 높은 전단에 큰 영향을 받지 않았다. 중간 아밀로스 일품은 수분 흡수 능력이 높았지만 도담쌀 전분에 비하여 입자 안정성이 낮았고 높은 강하점도를 보였다. 밀양 328호 전분은 안정성이 매우 낮아 높은 열에 쉽게 부서져 80℃에서 낮은 팽윤력 값을 보였고, 낮은 pH, 높은 전단으로부터 가장 큰 점도 감소를 보였다. 블렌드 효과를 확인해본 결과, 혼합 비율30% 이상의 도담쌀 전분을 밀양 328호 전분과 블렌드 한 시료에서 밀양 328호의 팽윤 력이 크게 개선되었다. 또한, 도담쌀 전분의 비율이 높아질수록 FE-SEM 이미지에서 온전한 과립이 확인되었다. 신속 점도 측정기를 통한 호화 특성 실험에서는 일품 또는 밀양328호 전분의 강하 점도가 도담쌀 전분과의 혼합으로부터 감소된 것이 확인되었다. 특히, 밀양 328호 전분과 도담쌀 전분의 7:3 비율로 구성된 블렌드는 강하점도와 치반점도가 낮은 가교 전분과 유사한 특성을 나타냈다. 따라서, 이를 바탕으로 가교결합과 유사한 호화 특성을 나타낸 도담쌀, 밀양 328호 전분 블렌드와 가교결합 변성전분인 HDP(Hydroxypropylated distarch phosphate)의 유사한 최종점도 및 농도를 조사하여 안정성 실험 농도 기준을 정하였다. 회전식 레오미터를 사용한 정상 상태 유동 실험은 도담쌀 전분과의 블렌드를 통해 산 및 고전 단 처리에 취약한 밀양 328호 및 일품 전분의 점조도 지수 (K)가 개선된 것으로 나타났다. 게다가, 도담쌀 전분을 포함하는 혼합물은 pH3에서 pH7보다 감소하지 않고 안정된 점도가 확인되었다. 높은 전단과 냉해동 실험에서는 HDP 전분에 비해 낮은 안정성을 보였지만, 이러한 결과들을 미루어 보아 도담쌀 전분이 블렌드 처리를 통해 새로운 클린라벨 소재로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.Rice starch is one of the main sources of carbohydrates in the human diet. However, its use without any treatment has limitations in the food industry. In this present study, the physicochemical properties of five rice starches with different amylose content were observed, and three starches were selected that had significantly different granule properties. In order to observe their blend effect, blend samples were prepared by mixing two types of rice starch at ratios of 10:0, 3:7, 5:5, and 0:10, respectively. DD is recently developed rice starch in Korea and known as high-amylose starch and resistant starch with 48.5% amylose content. DD showed high granule stability and was not significantly affected by acid and high shear treatment, while Milyang No.328 (MY) starch exhibited the lowest granule stability and high fracturability. It showed that the swelling power of MY was significantly improved in the sample blended with DD of 30% or more, and a number of intact granules were found via FE-SEM image. In the RVA test, the breakdown viscosity (BV) of Ilpum (IP) starch or MY was reduced by blending with DD. In particular, the blends composed of MY (7) and DD (3) ratio showing the similar characteristics as a cross-linked starch. The stability test was conducted by investigating the similar final viscosity and concentration of HDP (Hydroxypropylated distarch phosphate) and rice starch blends composed of DD and MY. Steady-state flow experiment using rheometer presented that the consistency index (K) of MY and IP vulnerable to acid and high shear treatment was improved by blending with DD. The mixture containing DD showed low stability in storage stability, but reduced the change of the viscosity reduction under acidic conditions and high shear. These results suggest that DD could be valuable as a material for making clean label starch using blending technology.1. Introduction 1 2. Objectives 5 3. Background and literature review 6 3.1. Starch 6 3.1.1. Rice starch 8 3.1.2. Physicochemical properties of starch 11 3.1.2.1. Gelatinization 12 3.1.2.2. Pasting properties 14 3.1.2.3. Retrogradation 16 3.2. Clean-label starch 18 3.2.1. Starch blending 19 4. Materials and Methods 20 4.1. Physicochemical properties of rice starches 20 4.1.1. Materials 20 4.1.2. Methods 21 4.1.2.1. Isolation of rice starch 21 4.1.2.2. Apparent amylose content (AAC) 23 4.1.2.3. Crude protein content (Kjeldahl) 24 4.1.2.4. High performance size exclusion chromatography (HPSEC) 25 4.1.2.5. Distribution of branched chain length (HPAEC) 26 4.1.2.6. X-ray diffractometry (XRD) 27 4.1.2.7. Granular morphology (FE-SEM) 27 4.1.2.8. Swelling power and solubility 28 4.1.2.9. Pasting properties 29 4.1.2.10. Thermal properties (DSC) 31 4.1.2.11. Rheological properties (Oscillation tests) 31 4.1.2.12. Texture profile analysis (TPA) 32 4.1.3. Statistical analysis 34 4.2. Physicochemical properties of rice starch blends 35 4.2.1. Materials 35 4.2.2. Methods 36 4.2.2.1. Swelling power and solubility 36 4.2.2.2. Microscopic observations 36 4.2.2.3. Pasting properties 36 4.2.2.4. Stability test 37 4.2.2.4.1. Blending effect of rice starches in acidic conditions 37 4.2.2.4.2. Blending effect of rice starches by high shear treatment 38 4.2.2.4.3. Freeze-thaw and syneresis (storage stability) 39 4.2.2.4.4. Statistical analysis 40 5. Results and Discussion 41 5.1. Physicochemical properties of rice starches 41 5.1.1. Apparent amylose content (AAC) and crude protein (Kjeldahl) 41 5.1.2. Molecular weight distribution (HPSEC) 44 5.1.3. Distribution branch chain length distribution (HPAEC) 47 5.1.4. Crystalline structure (XRD) 50 5.1.5. Granular morphology (FE-SEM) 53 5.1.6. Swelling power and solubility 56 5.1.7. Pasting properties 61 5.1.8. Thermal properties 65 5.1.9. Rheological properties 68 5.1.10. Gel textural properties 73 5.2. Physicochemical properties of rice starch blends 76 5.2.1. Swelling power and solubility of rice starch blends 76 5.2.2. Microscopic observation (FE-SEM) 79 5.2.3. Pasting properties of rice starch blends 82 5.2.4. Comparison of pasting properties of various concentration rice starch blends and chemically modified starch (HDP) 86 5.2.5. Stability test 90 5.2.4.1. Blending effect of rice starches in acidic conditions 92 5.2.4.2. Blending effect of rice starches by high shear treatment 94 5.2.4.3. Blending effect of rice starch by freeze-thaw and syneresis 99 6. Conclusion 103 7. References 105 국문초록 125Maste